基于CFD的不同环境温度下日光温室内部温度变化研究

孙树鹏 董朝阳 黎贞发 杨涵洧

摘    要：日光溫室需要适当进行通风除湿以维持室内适宜作物生长的环境。本研究在天津地区冬、春、夏3个季节不同环境温度条件下，对打开通风口时日光温室内部环境的温度进行CFD模拟研究。结果表明，冬季低温如-16.0 ℃情况下，通风除湿后温室内部温度快速下降，作物容易发生冻伤，建议少通风或不通风，或当气温上升至-9 ℃及以上且辐射良好的情况下进行通风除湿，且应注意通风时间;春季外界环境温度与温室内温度相差较小，通风除湿有利于作物生长，当温度较低如0.8 ℃且辐射良好的情况下，除通风口部位外，日光温室其他部位增温较快，而当温度较高如10.6 ℃但辐射较差的情况下，室内增温较慢;夏季高温和强辐射条件下，室内空气同时受通风口进入的热空气和温室顶部的辐射增温作用影响，温室内部温度上升较快，建议夏季不栽种作物或者种植耐热型作物。本研究结果为天津地区不同季节温室内环境优化调控提供参考。

关键词：CFD模型;日光温室模拟;极端环境温度

中图分类号：S625             文献标识码：A             DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.10.009

Study on Temperature Change of Solar Greenhouse at Different Environmental Temperature Based on CFD

SUN Shupeng1， DONG Chaoyang2， LI Zhenfa2， YANG Hanwei3

（1. Tianjin Jinnan Meteorological Service， Tianjin， 300350， China; 2. Tianjin Climate Center， Tianjin， 300074， China; 3. Shanghai Climate Centre， Key Laboratory of Cities Mitigation and Adaptation to Climate change in Shanghai， China Meteorological Administration， Shanghai 200030， China）

Abstract：Greenhouse needs to be properly ventilated and dehumidified to maintain a suitable environment for crops. The experiment was conducted under different ambient temperatures in winter， spring and summer in Tianjin， and the CFD simulation was carried out on the indoor environment temperature of greenhouse after ventilation. The results showed that after ventilation and dehumidification， ， the greenhouse internal temperature decreased rapidly in winter at low temperature such as -16.0 ℃， and the crops were prone to frostbite， suggesting that we need little or no ventilation in this condition. When the temperature raised to -9 ℃ and there was good radiation， we could start ventilation but the ventilation time should be paid attention to. In spring， there is a small difference between the temperature of external environment and inside the greenhouse， and the ventilation and dehumidification were conducive to the growth of crops. When the temperature was low such as 0.8 ℃， and the radiation was good， the temperature in the greenhouse increased quickly except the vent part; when the temperature was higher such as 10.6 ℃， but the radiation was poor， the greenhouse temperature increased slowly.  Under the condition of relatively high temperature and strong radiation in summer， the greenhouse temperature rised rapidly under the influence of both the hot air from the vent and the radiation from the top of the greenhouse， suggesting that not no crops or heat-resistant crops should be planted in summer. The results of this experiment could provide reference for the optimization and regulation of greenhouse environment in different seasons in Tianjin.

Key words： CFD model; greenhouse temperature simulation; extreme external temperature

相对传统种植业来说，温室农业由于受气候条件影响较小，因而具有更明显的优势。近年来，我国日光温室发展迅速，在蔬菜生产等市场供应方面起到了巨大作用。日光温室内部的小气候直接影响着室内作物的生长，因此对温室小气候研究具有重要意义。计算流体力学（CFD）是基于流体力学有关理论对流体问题模型进行求解的重要工具，近年来越来越多地被应用在温室小气候数值模拟中[1-4]。运用CFD能够较准确地模拟温室室内速度场、温度场和湿度场等环境状态，可为温室的优化和调控提供更为精准的指导。

自从1989年Okushima等[5]将CFD应用到温室研究领域，至今已被广泛应用，且算法也得到了一系列改进[6-10]，越来越成熟完善。笔者在前人研究[11-15]基础上，研究不同环境温度情形下，日光温室内部的温度分布情况，侧重考察不同外界温度条件下打开通风口后温室内部环境变化，以及当温室外发生极端天气时温室内部小气候的响应情况和环境变化对温室作物的影响，旨在为温室内环境优化调控提供参考。

1 温室模型构建

1.1 温室模型

本研究选取了天津市气候中心试验基地（武清）的日光温室作为模型进行研究，温室为东西走向，在南侧拱形上部（宽0.4 m）和下部（宽0.7 m）各设有一个通风口，其长度50 m、跨度8 m、脊高4 m、后墙高3.2 m、后屋面投影1.05 m、前屋面角30°、后屋面仰角37°，简化模型见图1。

1.2 算法及参数设置

本文采用Fluent软件进行对温室内小气候环境进行模拟，日光温室内的气体流动由质量、动量和能量守恒方程进行描述，湍流模型采用标准k-ε算法。因为需要考虑温室内部空气流动，所以采用瞬态模型进行模拟。同时要考虑太阳辐射对温室内部环境的影响，所以选择启用能量方程和辐射模型。在计算过程中采用SIMPLE算法求解。选取整个温室结构作为计算域进行环境数据数值模拟，利用Gambit软件建立三维实体模型，试验中采用非结构化四面体进行网格划分，共设计了111 454个单元网格，网格质量良好，符合计算要求。对日光温室的材料属性、边界温度等进行设定，参考康宏源等[16]的试验设计，温室相关参数如表1所示。

1.3 试验设计

为更好地研究不同环境温度条件下，日光温室在通风除湿时室内气温的变化情况，本研究选取近2年6种环境温度条件（表2），设计了3组对比试验。

第1组对比试验：试验1条件下同时打开上下2个通风口进行除湿通风，试验2条件下仅打开上通风口进行除湿通风，考察冬季2种低温情况下通风除湿对室内温度变化的影响;第2组对比试验：试验3和试验4条件下打开上下通风口进行除湿通风，考察春季2种环境温度条件下通风除湿对室内温度变化的影响;第3组对比试验：夏季通风口是处于常开状态，同日分别按试验5和试验6的时间对外界温度和辐射影响室内空气的情况进行模拟，考察夏季不同温度条件下温室内温度变化。

2 不同环境温度下的温室温度模拟

2.1 冬季不同温度条件下通风除湿对温室内温度变化的影响

由于冬季早晨太阳高度角相对较低，太阳辐射作用较弱，在模拟时暂不考虑太阳辐射加热作用。试验1和试验2的低温条件下通风除湿5 min后对室内温度的模拟结果如图2。

由图2-A可知，由于环境气温较低，打开通風口后，室内外空气交换加快，单纯从室内温度方面考虑，由于较低的室外空气不断涌入，随着室外冷空气比重的增加和热交换的进行，室内温度下降很快。室外冷空气由下通风口进入日光温室内部后，先向下方和后墙方向流动，之后逐步向上层扩散。通风5 min后，靠近下通风口附近温度下降很快，越靠近后墙下降越慢，底部受土壤和作物影响，在较浅的层次内能够保持相对高的温度。但另一方面对于固体介质而言，热交换是一个相对缓慢的过程，故温室墙壁、拱棚内部以及地面等的温度仍然保持较高，下降幅度不大。当通风口关闭后，室内空气也会受这些相对较高温度固体介质的热交换影响而升温。

由图2-B可知，由于仅打开了上通风口，温室内外空气交换速度相对较慢，室外冷空气对温室上部气温影响较大，温室内部气温呈下暖上冷的垂直梯度分布形势。另一方面室外风速较大，冷空气在温室顶部的流动削弱了太阳辐射对温室的增温作用。温室内部尤其作物层仍然保持相对较高的温度，作物层在12 ℃以上，是一个利于作物生长的环境。

综上而言，在冬季外界环境温度较低的情况如试验2中，只打开了一个通风口，在满足通风除湿要求的同时，室内温度降幅较小，作物冠层温度仍然能满足生长发育需求，但在更低的温度条件如试验1中，打开上下通风口后温室内部温度迅速下降，作物容易发生冻伤，故建议这种情况下减少通风或不通风，或等中午气温上升至与试验1温度相当后再进行通风除湿。

2.2 春季不同温度条件下通风除湿对温室内温度变化的影响

试验3条件下通风除湿5 min后对室内温度的模拟结果如图3。由图3可知，由于模拟试验时室外天气晴朗，室外风速较小，辐射条件较好，太阳对温室顶部塑料薄膜和后坡加热效果较好，因此温室上部除通风口附近温度较低外，其余部位温度上升较快，整个温室内部温度自上而下递减，温室下部作物层温度在13 ℃以上，较利于作物生长发育。

试验4由于气温（10.6 ℃）相对较高，温室打开通风口前，室内外温度相差不大，故打开通风口后，温度分布差异不大。但从升温速度分布图（图4）可以看出，室外空气由下通风口进入日光温室内部后，先向下向后墙方向流动，到达温室中部附近后移动速度减缓，另外在上通风口附近也有一个速度大值区。试验4外部天气条件为多云，辐射条件较试验3差，辐射增温相对缓慢。

2.3 夏季不同温度条件下温室内温度变化

试验5和试验6两种夏季温度条件下对室内温度的模拟结果如图5。试验5为夏季早晨，室内外温度相差不大，温度都在25 ℃以上，室外温度略高，试验6为夏季中午，室外温度很高，太阳辐射更为强烈。

由图5可知，在室外高温和强辐射条件下，温室内部空气温度迅速上升，与冬、春季节相比，室内空气温度上升的来源不仅是由下通风口进入日光温室内部的热空气所致，温室顶部的辐射增温作用也非常明显。温室内部温度均呈现上高下低的分布特点，顶部靠近通风口处温度最高，底部靠近后墙区域温度最低。其中，试验5（图5-A）太阳辐射对通风口附近空气加热很快，由于热空气密度相对较小，温室上层的气温上升很快，温室后墙及附近温度相对较低，整体温度在27 ℃以上;在试验6中由于室外温度较高，通风口全天一直处于打开状态，由图5-B可知，温室顶层的塑料薄膜由于已经接受太阳辐射时间较长，所以本身温度很高，其自身的热量辐射加之透射的太阳能量辐射，二者总和反而高于直接辐射能量强度，故整个温室顶部对温室内空气都有较强的加热作用，室内温度整体在30 ℃以上。整体而言，夏季在外界环境温度较高的情况下，温室内部温度也较高，不利于室内作物的生长。

3 结论与讨论

已有很多研究是针对日光温室内空气流动情况、湿度和CO2分布情况等，对温室内通风原理、通风方式、通风量进行研究[11-15]，但对不同环境下日光温室内温度分布的相关研究甚少。通过对不同环境温度打开通风口时温室内部环境的CFD模拟研究，可以较为准确且方便快捷地获得温室内部温度分布情况，本研究通过同一季节不同环境温度条件下日光温室内部的温度分布情况进行模拟，得出以下结论：

（1） 冬季外界环境温度-9 ℃左右且辐射条件较好的情况下，只打开了一个通风口，在满足通风除湿要求的同时，室内温度下降不是太多，作物冠层温度仍然能满足生长发育需求，而在更低温度如-16 ℃情况下，通风除湿会使温室内部温度快速降低，作物容易发生冻伤，故建议减少通风或不通风，或等中午气温上升后再进行通风除湿。

（2） 春季温度较低如0.8 ℃时且辐射条件较好的情况下，通风除湿除通风口部分外其他部位增温均较快，适宜作物生长，但温度与温室温度接近如10.6 ℃时且辐射条件不佳的情况下，通风除湿增温缓慢，故春季温室内温度受辐射的影响较大。

（3） 在夏季相对高温和较强的辐射条件下，温室内部空气温度上升快，与冬春季节相比，室内空气温度上升的来源不仅是由下通风口进入日光温室内部的热空气所致，温室顶部的辐射增温作用也非常明显，在外界环境温度较高的情况下，温室内部温度也较高，不利于作物生长。

综上，对于天津地区而言，冬季极端低温不适合打开通风口，以免室内作物遭受冻害，如需通风除湿最好等中午温度稍高时再进行短时通风，春秋季根据温度和其他环境条件进行适当通风，夏季由于温室内温度过高，建议不栽种作物或种植耐热型作物。

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收稿日期：2020-08-08

基金项目：国家自然科学基金项目（41805061）

作者简介：孙树鹏（1983—），男，河北南宫人，硕士，工程师，主要从事温室小气候和短期气候预测研究。

通信作者简介：董朝阳（1988—），内蒙古正蓝旗人，硕士，工程师，主要从事温室小气候和作物生长模拟研究。